光伏发电储能充电一体化应用分析

李晓琛

（辽宁省市政工程设计研究院有限责任公司 广州分公司，广东 广州 518106）

0 引 言

光伏发电是新能源的一种主要应用，业内提出了“自发自用，余电上网”的理念，但目前大量项目更多考虑“余电上网”的卖电模式。在此背景下，部分厂家提出了发电储能充电的一体化应用模式，是新能源界的新型组合。这种模式更强调的是“自发自用”的部分，余电可结合充电设施的使用自储自用，更加灵活多样，适用于更多的项目。

1 光伏发电储能充电一体化系统架构综述

光伏发电储能充电一体化系统是新能源界的新型组合，光储充一体化解决方案通过能量存储和优化配置实现本地能源生产与用能负荷基本平衡。该系统能独立运行，自发自用、余电存储，缓解了充电桩等大功率用电设施对电网的冲击。在能耗方面，使用储能系统给动力电池充电，并利用峰谷电价调节，提高了能源转换效率，降低了用电成本。利用电池储能系统吸收低谷电能，并在高峰时期支撑快充负荷。同时以光伏发电系统进行补充，有效减少充电站高峰期的电网负荷，在提高系统运行效率的同时，为电网提供辅助服务功能。光储充一体系统原理如图1 所示。

图1 光储充一体系统原理

2 光伏系统

在有限的土地资源上建设光储充一体化电站，有条件的情况下可以采用附近屋顶光伏和停车场雨棚光伏。多个光伏组件汇合接到光伏直流汇流箱，经光伏逆变器接入电网，并网光伏发电系统、离网光伏发电系统因地制宜的使用，有效解决了太阳能光伏组件的发电、放电、供电以及能量在传输过程中的转化问题，保障整个系统发电的可靠、高效、安全性，使电站发电得以稳定运行。

目前，市场上主流的光伏板有单晶硅光伏板和多晶硅光伏板。其中，单晶硅光伏板的效率较高，在相同的面积内具有更高的发电量，在需要发电面积有限但效率要求较高的场景下比较适合使用，如住宅屋顶、商业用房等。阿尔卡萨光伏发电站位于卡塔尔首都多哈以西约80 km 处，是世界上最大的光伏发电站之一。该光伏发电站的装机容量为1 GW，每年可发电约1.6 TW·h，可以满足超过10 万户家庭的用电需求，其使用的就是这种单晶硅光伏板。多晶硅光伏板的制造成本较低，价格相对便宜，但相对单晶硅光伏板的效率较低。多晶硅光伏板通常用于面积较大、效率要求相对较低的场景，如工业厂房、停车场、农田等。

另外，市场上有一些新兴材料的光伏板，但暂时市场占有率低。（1）柔性光伏板。柔性光伏板具有可塑性，可以方便地弯曲和裁剪，适用于特殊场景，如户外野营、户外运动以及物流运输等。一般比较薄且轻便，适合在需要轻负荷的场景中使用。（2）有机光伏板。有机光伏板由于材料可塑性高、透明度好，可以被集成到建筑材料中，如玻璃幕墙、屋顶和窗户中，这种应用场景比较适合于商业用房和高档住宅等。（3）染料敏化光伏板。这种类型的光伏板使用染料敏化膜代替硅电池来控制太阳能转换。染料敏化光伏板具有制造工艺简单、轻薄透明、可弯曲和低成本等优点。（4）硫化镉光伏板。硫化镉光伏板采用硫化镉作为半导体材料，具有高效率和快速响应的特点，适用于低光照、高温等极端条件。（5）碲化物光伏板。碲化物光伏板采用碲化物代替硅片，效率更高，但目前成本较高，主要用于高端应用场景。（6）钙钛矿光伏板。这种类型的光伏板使用钙钛矿材料作为光吸收材料，具有高效率、生产工艺简单等特点。各类型光伏板的性能对比如表1 所示。

表1 各类型光伏板的发电效率

在实际选型中，需按照实际用电量计算，结合当地气候条件，以及考虑到预算条件下的性价比因素，选择能满足性能需求、且能够长期稳定使用的太阳能电池板组件。同时需要了解太阳能电池板的安装方式、维护周期、保修期等相关事项，并尽量考虑光伏板与建筑物的结合。光伏板和建筑物的结合考虑建筑物的朝向、倾角、太阳能收集效率等多种因素，还需要考虑光伏板的外观和美观性，以确保其与建筑物的外观相协调。通过合理的设计和安装，光伏板与建筑物可以结合起来，实现对能源的高效利用和建筑物的可持续发展。

3 储能系统

本文讨论的储能系统是以自发自用为主体的光伏发电用的储能系统，为电池式系统。电容式储能系统更适合发电上网的系统，因而不做讨论。

目前，太阳能发电系统储能常用的电池有铅酸电池、磷酸铁锂电池。其中，铅酸电池成本较低，功率密度也较低，体积较大且寿命较短，适合小型太阳能系统使用；磷酸铁锂电池能够提供更高的功率密度和更长的寿命，但是成本较高，适合大型太阳能系统使用。另外，由于钠离子电池原材料的成本比锂电池低30%～40%，在未来钠离子电池可能会取代锂电池成为储能的主流方案。

具体应用中，需根据光伏发电站运行的不同目的来选择储能电池。除满足储能电池正常使用的环境温度、相对湿度、海拔高度等环境条件之外，还需将储能电池的循环寿命、储能效率、最大储能容量、能量密度、功率密度、响应时间、建设成本、运行维护成本以及技术成熟度等因素作为衡量各种储能技术的关键指标，在不同的应用场合关注不同的指标[1]。

3.1 系统架构

电池式储能系统的系统架构一般包括以下几个部分。（1）电池组。电池组是整个储能系统的核心部分，由多个电池单元组成。电池组的容量和电压等参数要根据应用场景和需求进行设计，可以采用多芯片并联或串联的形式进行组装。在系统运行时，电池组负责存储和释放电能。（2）充电模块。负责将外部电源中提供的电能进行充电，并控制充电过程，保证充电的安全性和高效性。（3）放电模块。负责将储存的电能释放出来，向负载输出电能，能够适应各种功率和电压要求的负载。通常放电过程也需要电池管理系统（Battery Management System， BMS）的控制和保护。（4）电池管理系统。BMS 是整个系统的大脑，负责监测电池组的电压、电流、温度等参数，并对电池组状态进行管理和保护。此外，BMS 还负责控制充电和放电过程，并提供各种故障报警、数据采集和远程监控等功能。（5）DC/AC 变换器。将电池组输出的直流电转换为适应负载的交流电，以供电设备使用。如果需要将直流能量储存到电网中，还需要加入逆变器模块。（6）供电系统保护及检测模块。负责整个系统的过电流、过温、过电压、电池短路等保护和检测功能，保证系统的安全可靠性。

3.2 储电量计算

储能系统容量的计算需要考虑光伏发电系统的负载需求、发电量、储能效率、项目耗电量以及系统稳定性等多种因素，以下是储能系统容量计算的基本方法。（1）计算负载需求。首先需要确定光伏发电系统的负载需求，包括日常用电和备用电力需求等。根据负载需求，可以计算出储能系统每日需要供应的能量。（2）估算发电量。根据光伏发电系统的组件数量、类型、朝向、倾角、地理位置等因素，可以估算出每日的平均发电量。需要注意的是，发电量随着天气、季节等因素的变化而有所波动，因此需要进行适当的修正。（3）确定储能效率。储能系统的充放电效率对储能容量的需求有很大影响。一般而言，储能系统的充放电效率为50%～80%，需要根据实际情况进行具体确定。（4）计算储能容量。根据以上3 个因素，可以计算出储能系统的容量需求。计算公式为

式中：Cc为储能电池容量，kW·h；D为最长无日照期间用电时数，h；F为储能电池放电效率的修正系数，通常取1.05；P0为负荷容量，kW；U为储能电池的放电深度，通常取0.5 ～0.8；Ka为交流回路的损耗率，通常取0.7 ～0.8。

另一种计算公式为

式中：Ed为每日发电量；E1为每日最长日照期间用电量。

此外，还要考虑系统发电量和系统估算耗电量的关系，若每日发电量大于每日耗电量，则按式（1）或者式（2）进行计算；如果每日发电量小于每日耗电量，则储能系统多数作用于“削峰填谷”，建议按式（3）进行计算

式中：D2为最长高峰期用电时数，h；K为高峰期储能系统供电替代率，通常取0.1 ～1。

需要注意的是，上面计算的是每日储能的容量，为了保证储能系统的长期稳定性，建议将储能容量的计算结果向上取整，留一定的余量。一般设施用电可以取3 ～5 d 的用电时数。对于重要设施的用电负荷则需适当增加蓄电池容量，可以取7 ～14 d 的用电时数。在实际应用中，应根据光伏发电系统的具体情况和需求，结合成本预算和运维成本等因素进行综合评估和计算[2]。

4 充电设施

充电设施主要是为电动汽车、电动自行车等电动交通工具供电的设施，按照功能可以分为以下几类。（1）汽车充电桩，是为电动汽车供电的设施，一般有7 kW 的慢充或30 ～60 kW 的快充[3]；（2）单车充电桩，一般是为电动自行车、摩托车等小型电动车辆供电的设施，采用小型充电插口和快速充电技术，具有便携、高效的特点；（3）换电式电池柜，主要针对电动车辆的充电需求而设计，通过交换电池的方式快速为车辆充电，解决了长时间等待充电的问题，通常应用在电动自行车、电动公交车以及部分使用换电式车载电池的家用车。

5 一体化应用场景分析

5.1 一体化停车场/停车库

通过在停车场或停车库顶部安装光伏发电板，可以利用太阳能发电，在停车场/停车库内实现照明、电动汽车充电等功能，并将多余电能存储在电池中，以备晚上或充电高峰期使用，不仅可以减少对传统能源的依赖，还可以为环保做出贡献。

这种应用是目前市场上最早推行的一种光储充应用的项目场景。以露天停车场搭设太阳能雨棚为例，一个汽车车位可以搭建12 m2的太阳能雨棚，每小时发电效率以150 W/m2来估算（理想情况下，考虑光伏板效率及电池效率带来的衰减，其余估算同此），每小时发电量约为1 800 W。按照有效发电时间为5 h，共可发电9 kW·h。以目前主流新能源车车载电池75 kW·h 的容量，慢充7 kW，快充30 ～60 kW的充电桩配置，可以节约1%～5.5%的传统能源使用。这个占比看起来似乎偏小，但随着停车场的停车规模增大，充电桩同时使用率降低，而总发电量增加，那么这个数据还有提升空间。另外，由于储能系统的加入，可以在充电客流较小的时段将电能储存起来，用以补充高峰及高电价时段的用电。如果该停车场提供了电动自行车的充电停放服务，一个车位大概1.2 m2，以每小时发电效率150 W/m2来估算，每小时发电量约为180 W。对于电动自行车的充电功率200 W，光伏发电的替代率可以达到70%以上，特别是有一定规模后，发电量很可能超出用电量，这个比例还可以提高，甚至在天气好的时候可以实现100%替代传统能源。当储能系统结合换电式充电柜作为一种补充，余电的使用率和光电的使用率都可以进一步提高[4,5]。

5.2 大中型住宅小区

5.2.1 住宅小区

在住宅小区内安装光伏发电板，可以为小区内的公共区域供电，如照明、电梯等，并存储多余的电能以保证24 h 供电。此外，住宅小区还可以设置充电装置以满足业主的电动汽车和电动自行车的充电需求。

以广东地区一个中型住宅小区为例，该小区的建筑面积为15 万m2，为20 栋二类高层住宅。每栋楼的天面面积约为500 m2，采取每栋楼35%的面积制作光伏板，即每栋楼有175 m2，屋面太阳能光伏板共3 500 m2。小区室外设置太阳能停车棚、雨棚等发电设施，共3 000 m2，总共有6 500 m2的光伏板面积。以夏季为例，按照有效发电时间为5 h，每小时发电效率150 W/m2来估算，每小时可发电975 kW·h，每天可发电4 875 kW·h，相当于标准煤0.6 t 的发电量。该部分可用于日常公区用电或者商业充电桩用电，富余的电量可以通过储能系统储存起来，在下班时间居民汽车充电高峰期进行补偿，减少充电桩高峰用电对电网的冲击。在很多老旧小区，原来电网未考虑汽车充电桩的用电，而随着新能源车越来越多，大量居民家用充电桩及物业商用快速充电桩的用电需求与电网装机容量不足的矛盾突出，致使很多小区业主无法实现就近充电。本小区若使用光储充一体的系统方案，预计每天发电量可以满足65 台以上的家用新能源车（按每辆车车载电池容量75 kW·h 计算）从低电量至充满电的能量需求，有效缓解此矛盾。

5.2.2 工业厂区

在工业厂区内，可以利用厂房顶部及闲置场地安装光伏发电板发电，动辄一两万平方米建筑面积的工业厂区利用起来发电量比较可观。通过增加储能系统将过剩的电能存储起来，以便在工厂负荷高峰期间使用或者为重要负荷提供多一路备用电源，这样有助于减少对电网的负荷压力，并降低电费成本。但大部分工业厂区自身的总用电量比较大，特别是生产工艺的耗电量很可能占据大头，发电量虽然可观，但是依然远小于用电量。因此，这类项目储能系统的容量不宜设置太大，并且建议结合办公区、生活区的不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、应急电源（Emergency Power Supply，EPS）电池组系统、电动自行车换电柜以及新能源车载电池等作为储能设备。

5.3 商业办公综合体

商业办公综合体通常情况下有较大的用电负荷，如果采用光伏发电板将太阳能转化为电能，则可降低商业办公综合体的用电成本，并降低对传统能源的依赖。特别是大型商业体为了吸引客流，经常有配置快速充电桩的需求，快速充电桩通常单枪30 kW 以上，部分厂家甚至有60 kW 以上的规格，配置数量较多的话，高峰期对电网的要求仍然比较大。通过光伏加储能系统的配置，可以平滑商业高峰期的用电需求，减少一定的变压器高负载率时间，从而降低装机容量，延长设备寿命，同时节省的电费可以减轻运营成本。对于供电可靠性要求较高，需要设置备用电源的负荷，可以通过利用储能系统的电量作为备用电源，从而减少发电机、UPS 电源等备用电源的配置数量。

5.4 别墅类居住产品

别墅类（包含农民自建房）居住产品的面积较大，如果安装光伏发电板就可以为居住产品供电，降低用电成本，并为业主提供一个可持续发展的住宅环境。多余的电能也可以通过电池系统储存，保证日间能源供应，并在晚间或阴雨天使用备用的储能电池。另外，别墅类居住产品可能地处供电可靠性较低的区域，光伏发电加储能系统的应用可以提高用电可靠性。对于有新能源车的业主，配置家庭充电桩可以提高光伏发电的利用率，汽车的电池也可以作为储能系统的一种补充。另外，随着智能家居系统技术越来越普及，系统可靠性要求越来越高，其后备电源系统也是未来的一种储能形式的扩充。智能家居系统的后备电池是一种与家庭太阳能电池板或智能电力管理系统搭配使用的后备电池，可以为家庭或企业提供备用电量，满足突发停电等紧急情况下的用电需求。新能源与智能家居的结合，相信也是未来的一项热点研究。

6 结 论

光储充一体化应用随着光伏发电效率越来越高、电池密度的提升、新能源汽车和电动自行车对充电桩的需求日益增加，使得该方案的可应用场景越来越多。如今，主流光伏板产品的价格也日益下降，投资经济性的优势也逐渐凸显。相信在不远的将来，有机光伏板等材料可以结合建筑造型设置，甚至更多作为幕墙、外窗的替代材料，并且转换效率有更大的提升。光储充一体化方案的使用价值将越来越大，将会越来越普及。